Какая связь существует между аминокислотами и белками. Типы связей между аминокислотами в молекуле белка. Биологическая роль пептидов

Белки — высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков α-аминокислот.

В состав белков входят углерод, водород, азот, кислород, сера. Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

Белки обладают большой молекулярной массой: яичный альбумин — 36 000, гемоглобин — 152 000, миозин — 500 000. Для сравнения: молекулярная масса спирта — 46, уксусной кислоты — 60, бензола — 78.

Аминокислотный состав белков

Белки — непериодические полимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты . Обычно в качестве мономеров белков называют 20 видов α-аминокислот, хотя в клетках и тканях их обнаружено свыше 170.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме человека и других животных, различают: заменимые аминокислоты — могут синтезироваться; незаменимые аминокислоты — не могут синтезироваться. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей. Растения синтезируют все виды аминокислот.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают: полноценными — содержат весь набор аминокислот; неполноценными — какие-то аминокислоты в их составе отсутствуют. Если белки состоят только из аминокислот, их называют простыми . Если белки содержат помимо аминокислот еще и неаминокислотный компонент (простетическую группу), их называют сложными . Простетическая группа может быть представлена металлами (металлопротеины), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Все аминокислоты содержат : 1) карбоксильную группу (-СООН), 2) аминогруппу (-NH 2), 3) радикал или R-группу (остальная часть молекулы). Строение радикала у разных видов аминокислот — различное. В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают: нейтральные аминокислоты , имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу; основные аминокислоты , имеющие более одной аминогруппы; кислые аминокислоты , имеющие более одной карбоксильной группы.

Аминокислоты являются амфотерными соединениями , так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах.

Пептидная связь

Пептиды — органические вещества, состоящие из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью.

Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот. При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую и называют пептидной . В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов . На одном конце пептида находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом — свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).

Пространственная организация белковых молекул

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков .

Первичная структура белка — последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами — пептидная.

Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, — 10 20 . Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.

Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию — транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание — серповидноклеточная анемия.

Вторичная структура — упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин . Он образован двумя α-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя β-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции. Например, причиной «коровьего бешенства» (губкообразной энцефалопатии) является аномальная конформация прионов — поверхностных белков нервных клеток.

Свойства белков

Аминокислотный состав, структура белковой молекулы определяют его свойства . Белки сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот: чем больше кислых аминокислот в белке, тем ярче выражены его кислотные свойства. Способность отдавать и присоединять Н + определяют буферные свойства белков ; один из самых мощных буферов — гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне. Есть белки растворимые (фибриноген), есть нерастворимые, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген). Есть белки активные в химическом отношении (ферменты), есть химически неактивные, устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые.

Внешние факторы (нагревание, ультрафиолетовое излучение, тяжелые металлы и их соли, изменения рН, радиация, обезвоживание)

могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией . Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Первоначально рвутся наиболее слабые связи, а при ужесточении условий и более сильные. Поэтому сначала утрачивается четвертичная, затем третичная и вторичная структуры. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций. Если денатурация не сопровождается разрушением первичной структуры, то она может быть обратимой , в этом случае происходит самовосстановление свойственной белку конформации. Такой денатурации подвергаются, например, рецепторные белки мембраны. Процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией . Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой .

Функции белков

Функция	Примеры и пояснения
Строительная	Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур: входят в состав клеточных мембран (липопротеины, гликопротеины), волос (кератин), сухожилий (коллаген) и т.д.
Транспортная	Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ; в состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно.
Регуляторная	Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например, гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена, увеличивает образование жиров из углеводов.
Защитная	В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.
Двигательная	Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных.
Сигнальная	В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку.
Запасающая	В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином.
Энергетическая	При распаде 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы.
Каталитическая	Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках. Например, рибулезобифосфаткарбоксилаза катализирует фиксацию СО 2 при фотосинтезе.

Ферменты

Ферменты , или энзимы , — особый класс белков, являющихся биологическими катализаторами. Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч раз (а иногда и в миллионы) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Вещество, на которое оказывает свое действие фермент, называют субстратом .

Ферменты — глобулярные белки, по особенностям строения ферменты можно разделить на две группы: простые и сложные. Простые ферменты являются простыми белками, т.е. состоят только из аминокислот. Сложные ферменты являются сложными белками, т.е. в их состав помимо белковой части входит группа небелковой природы — кофактор . У некоторых ферментов в качестве кофакторов выступают витамины. В молекуле фермента выделяют особую часть, называемую активным центром. Активный центр — небольшой участок фермента (от трех до двенадцати аминокислотных остатков), где и происходит связывание субстрата или субстратов с образованием фермент-субстратного комплекса. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукт (продукты) реакции. Некоторые ферменты имеют (кроме активного) аллостерические центры — участки, к которым присоединяются регуляторы скорости работы фермента (аллостерические ферменты ).

Для реакций ферментативного катализа характерны: 1) высокая эффективность, 2) строгая избирательность и направленность действия, 3) субстратная специфичность, 4) тонкая и точная регуляция. Субстратную и реакционную специфичность реакций ферментативного катализа объясняют гипотезы Э. Фишера (1890 г.) и Д. Кошланда (1959 г.).

Э. Фишер (гипотеза «ключ-замок») предположил, что пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Субстрат сравнивается с «ключом», фермент — с «замком».

Д. Кошланд (гипотеза «рука-перчатка») предположил, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу еще называют гипотезой индуцированного соответствия .

Скорость ферментативных реакций зависит от: 1) температуры, 2) концентрации фермента, 3) концентрации субстрата, 4) рН. Следует подчеркнуть, что поскольку ферменты являются белками, то их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях.

Большинство ферментов может работать только при температуре от 0 до 40 °С. В этих пределах скорость реакции повышается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 °С. При температуре выше 40 °С белок подвергается денатурации и активность фермента падает. При температуре, близкой к точке замерзания, ферменты инактивируются.

При увеличении количества субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока количество молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При дальнейшем увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата.

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, при котором он проявляет максимальную активность (пепсин — 2,0, амилаза слюны — 6,8, липаза поджелудочной железы — 9,0). При более высоких или низких значениях рН активность фермента снижается. При резких сдвигах рН фермент денатурирует.

Скорость работы аллостерических ферментов регулируется веществами, присоединяющимися к аллостерическим центрам. Если эти вещества ускоряют реакцию, они называются активаторами , если тормозят — ингибиторами .

Классификация ферментов

По типу катализируемых химических превращений ферменты разделены на 6 классов:

1. оксиредуктазы (перенос атомов водорода, кислорода или электронов от одного вещества к другому — дегидрогеназа),
2. трансферазы (перенос метильной, ацильной, фосфатной или аминогруппы от одного вещества к другому — трансаминаза),
3. гидролазы (реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта — амилаза, липаза),
4. лиазы (негидролитическое присоединение к субстрату или отщепление от него группы атомов, при этом могут разрываться связи С-С, С-N, С-О, С-S — декарбоксилаза),
5. изомеразы (внутримолекулярная перестройка — изомераза),
6. лигазы (соединение двух молекул в результате образования связей С-С, С-N, С-О, С-S — синтетаза).

Классы в свою очередь подразделены на подклассы и подподклассы. В действующей международной классификации каждый фермент имеет определенный шифр, состоящий из четырех чисел, разделенных точками. Первое число — класс, второе — подкласс, третье — подподкласс, четвертое — порядковый номер фермента в данном подподклассе, например, шифр аргиназы — 3.5.3.1.

Перейти к лекции №2 «Строение и функции углеводов и липидов»

Перейти к лекции №4 «Строение и функции нуклеиновых кислот АТФ»

(1) и (2) образуется дипептид (цепочка из двух аминокислот) и молекула воды. По этой же схеме рибосома генерирует и более длинные цепочки из аминокислот: полипептиды и белки . Разные аминокислоты, которые являются «строительными блоками» для белка, отличаются радикалом R.

Свойства пептидной связи

Как и в случае любых амидов, в пептидной связи за счет резонанса канонических структур связь C-N между углеродом карбонильной группы и атомом азота частично имеет характер двойной:

Это проявляется, в частности, в уменьшении её длины до 1,33 ангстрема :

Это обусловливает следующие свойства:

• 4 атома связи (C, N, O и H) и 2 α-углерода находятся в одной плоскости. R-группы аминокислот и водороды при α-углеродах находятся вне этой плоскости.
• H и O в пептидной связи, а также α-углероды двух аминокислот трансориентированы (транс-изомер более устойчив). В случае L-аминокислот, что имеет место во всех природных белках и пептидах, R-группы также трансориентированы.
• Вращение вокруг связи C-N затруднено, возможно вращение вокруг С-С связи.

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Пептидная связь" в других словарях:

- (CO NH) химическая связь, соединяющая аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой в молекулах пептидов и белков … Большой Энциклопедический словарь

пептидная связь - – амидная связь (NH CO), образующаяся между амино и карбоксильной группами аминокислот в результате реакции дегидратации … Краткий словарь биохимических терминов

пептидная связь - Ковалентная связь между альфа аминогруппой одной аминокислоты и альфа карбоксильной группой другой аминокислоты Тематики биотехнологии EN peptide bond … Справочник технического переводчика

Пептидная связь - * пептыдная сувязь * peptide bond ковалентная связь между двумя аминокислотами, возникающая в результате соединения α аминогруппы одной молекулы с α карбоксильной группой др. молекулы, с одновременным удалением воды … Генетика. Энциклопедический словарь

ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ - хим. Связь СО NH , характерная для аминокислот в молекулах белков и пептидов. П. с. встречается и в некоторых др. органических соединениях. При ее гидролизе образуются свободная карбоксильная группа и аминогруппа … Большая политехническая энциклопедия

Вид амидной связи; возникает в результате взаимодействия а аминогруппы (NH2) одной аминокислоты с? карбоксильной группой (СООН) др. аминокислоты. Группа С(О) NH в белках и пептидах находится в состоянии кето енольной таутомерии (существование… … Биологический энциклопедический словарь

- (СО NH), химическая связь, соединяющая аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой в молекулах пептидов и белков. * * * ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ (CO NH), химическая связь, соединяющая аминогруппу одной аминокислоты… … Энциклопедический словарь

Peptide bond пептидная связь. Pазновидность амидной связи, образуется между α карбоксильной и α аминогруппой двух аминокислот. (

Оригинал взят у caenogenesis

Тема III
БЕЛКИ

Белки, или протеины - огромные молекулы, которые есть во всех современных живых организмах. Термин “белок” (albumin) был в ходу еще с XVIII века и относился к веществам, подобным белку куриного яйца. Термин “протеин” (от греч. πρώτειος, “первичный”) предложил в 1838 году Йенс Якоб Берцелиус (Jöns Jakob Berzelius), известный также как автор терминов “изомерия”, “аллотропия”, “катализ”, “органическая химия” (Vickery, 1950). По-русски “белок” и “протеин” - синонимы.
Берцелиус имел в виду, что “протеины” суть некие первичные строительные блоки живых организмов, и был совершенно прав. По смыслу “протеин” безусловно точнее, чем “белок”, но так уж исторически сложилось, что в русском научном языке “белок” употребляется гораздо чаще, и мы будем этому следовать.

Белки относятся к полимерам , то есть молекулам, состоящим из множества однотипных (но не обязательно одинаковых) звеньев-мономеров . На картинке - два примера случайно выбранных простых полимеров, не имеющих к белкам никакого отношения. Это углеводороды - полиэтилен и полистирол.

Мономерами всех белков являются альфа-аминокислоты , то есть такие аминокислоты, у которых аминогруппа и карбоксильная группа связаны с одним и тем же атомом углерода. Перед нами их общая формула. R (радикал) - как всегда, изменяемая часть молекулы.

Напомним, что аминогруппа и карбоксильная группа, которые по определению есть в любой аминокислоте, в водном растворе ионизируются. Вот тут альфа-аминокислота изображена в двух вариантах: слева - стандартный вид, справа - цвиттер-ион, где карбоксильная группа потеряла протон, а аминогруппа, наоборот, приобрела его. Заодно можно обратить внимание на то, что отрицательный заряд в цвиттер-ионе на самом деле делокализован ("размазан") между двумя атомами кислорода карбоксильной группы, а не привязан строго к одному из них.
Почему альфа-аминокислоты называются "альфа" и при чем тут вообще греческие буквы? Чтобы разобраться, посмотрим внимательно вот на эту формулу:

Атомы углерода, образующие аминокислоту, принято обозначать по порядку греческими буквами, считая от карбоксильной группы (сама она в счет не идет). Таким образом, первый атом углерода после карбоксила - это альфа-атом, второй - бета-атом, третий - гамма-атом и так далее. Аминокислоты классифицируются по тому, к какому атому углерода присоединена аминогруппа: альфа-аминокислоты - к первому, бета-аминокислоты - ко второму, и так далее, опять же. В состав белков, как уже сказано, входят только альфа-аминокислоты. А вот на картинке у нас в данном случае гамма-аминокислота. Конкретно это соединение называется гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК) и присутствует в некоторых живых организмах, во-первых, как промежуточный продукт обмена, а во-вторых, как нейротрансмиттер - сигнальное вещество, передающее возбуждение от одной нервной клетки к другой. Ни в какие белки ГАМК, разумеется, не входит.

Вот простенькая иллюстрация того, как альфа-аминокислоты соединяются в белок. От карбоксила одной аминокислоты отщепляется -OH, от аминогруппы другой -H, из них образуется вода (H-O-H), а остатки аминокислот соединяются по свободным валентностям связью, которая называется пептидной . Цепочка аминокислот, соединенных пептидными связями, соответственно называется пептидом . Это более широкое понятие, чем белок; иначе говоря, все белки - пептиды, но не все пептиды - белки.

Тут мы видим более красивую и подробную схему, изображающую, однако, абсолютно то же самое. Разберемся в ней. Во-первых, после замыкания пептидной связи в возникшей новой молекуле тем самым образуется пептидная группа -CO-NH-. Во-вторых, обе аминокислоты теперь показаны в ионизированном виде - как мы уже знаем, это скорее всего соответствует действительности, хотя и не имеет для нас сейчас принципиального значения. В-третьих, радикалы аминокислот - R 1 и R 2 - в общем случае, конечно, могут быть разными. И в-четвертых, реакция образования пептида тут показана идущей в обе стороны, то есть обратимой. В самом деле, пептиды могут как синтезироваться, так и распадаться обратно на отдельные аминокислоты.
Короткие пептиды называются или по числу аминокислотных остатков (дипептид, трипептид, тетрапептид...), или просто олигопептидами .

В состав белков входит 20 стандартных аминокислот. Самые простые из них - глицин и аланин. У глицина радикал представляет собой просто атом водорода, а у аланина метильную группу. Аминокислоты, входящие в состав белков, коротко называют протеиногенными .
Для читателей-эрудитов добавим, что нестандартные аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин, гидроксилизин, гидроксипролин) так или иначе являются производными стандартных и нас пока не интересуют. Наша задача - разобраться с основами.

Так выглядит образование дипептида из глицина и аланина. Обратим внимание, что это всего лишь один из двух возможных вариантов. Тут в создании пептидной связи участвуют карбоксильная группа глицина и аминогруппа аланина. Могло бы быть и наоборот, и тогда это был бы другой дипептид.

Еще три аминокислоты с углеводородными радикалами, более сложными, чем у аланина. Видим, что лейцин и изолейцин - изомеры, они отличаются всего лишь положением одной метильной группы.

Две аминокислоты с ароматическим ядром в радикале: фенилаланин и тирозин. Стрелка показывает, что тирозин является биохимическим производным фенилаланина. У фенилаланина радикал чисто углеводородный, у тирозина там есть еще спиртовая группа.

Еще две интересные аминокислоты - серин и цистеин. В серине есть гидроксильная группа, то есть, иначе говоря, радикал у него спиртовой. В цистеине есть ранее не встречавшаяся нам сульфгидрильная группа -SH. Валентность серы (S) здесь 2.

Теперь посмотрим на эту молекулу. Свежего человека такая формула, возможно, напугала бы, но у нас сейчас уже достаточно знаний, чтобы разглядеть в ней функциональные группы и сказать: это трипептид из остатков аланина, тирозина и цистеина. На его концах, как и положено, находятся свободные амино- и карбоксильная группы (на самом деле в растворе они ионизированы). Для краткости конец пептида со свободной аминогруппой всегда называют N-концом , а конец со свободной карбоксильной группой - C-концом .

Все протеиногенные аминокислоты, перечисленные до сих пор, являются нейтральными (как показанный на картинке для примера валин). Это означает, что в растворе такая аминокислота имеет нулевой заряд: карбоксильная группа и аминогруппа, будучи обе ионизированными, компенсируют друг друга, а других заряженных групп тут нет. На самом деле заряд такой аминокислоты будет строго нулевым не всегда, а только при определенной кислотности раствора, но мы сейчас берем идеальный случай.

Существуют отрицательно заряженные аминокислоты, у которых в радикале есть карбоксильная группа. Перед нами две такие аминокислоты - аспартат и глутамат. Отличаются они фактически только на один атом углерода в цепочке-радикале.
Примечание. В биохимии названия кислот и их солей очень часто используются как синонимы: в растворе, в диссоциированном виде, они все равно неотличимы. Например, аспартат - это на самом деле соль аспарагиновой кислоты, а глутамат - соль глутаминовой кислоты, но реально "глутаминовая кислота" и "глутамат" - это одно и то же; последнее название предпочитают просто для краткости. Дело в том, что соль - это по сути не что иное, как кислота, у которой на месте протона любой другой катион. Если такая молекула ионизирована и не имеет никаких катионов вообще, то за ней обычно оставляют название соответствующей соли. Именно это мы на примере аспартата с глутаматом и видим.

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты в неионизированном виде. Сейчас это именно кислоты, но их все равно могут обозвать аспартатом и глутаматом для удобства.
Глутамат интересен не только тем, что входит в состав белков, но и тем, что является очень важным и широко распространенным нейротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигналы в нервной системе. К тому же к глутамату чувствительны наши вкусовые рецепторы, и его часто добавляют в пищу, причем как в виде кислоты (пищевая добавка E620), так и в виде натриевой соли (пищевая добавка Е621).

Пример положительно заряженной аминокислоты - лизин (в ионизированном и стандартном виде). Тут, как видим, в радикале присутствует аминогруппа, которая ведет себя, как аминогруппе и положено - приобретает протон.

Аргинин - положительно заряженная аминокислота, в радикал которой входит довольно экзотичная гуанидиновая группа (больше она нам нигде не встретится). Положительный заряд в радикале аргинина делокализован между двумя атомами азота, поэтому электростатическое действие у него эффективнее, чем у такого же заряда в лизине; грубо говоря, он надежнее притягивает к себе "минус". Также обратим внимание, что на правой картинке углеродные атомы по порядку подписаны греческими буквами; в данном случае гуанидиновая группа соединена с эпсилон-атомом.

Подводя итог, мы можем разделить известные нам аминокислоты на четыре группы по типам радикалов:
● Нейтральные гидрофобные (аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин).
● Нейтральные гидрофильные (серин, цистеин, тирозин).
● Отрицательно заряженные (аспартат, глутамат).
● Положительно заряженные (лизин, аргинин).
Особое положение занимает самая простая из всех возможных аминокислот - глицин, у которого вместо радикала атом водорода.

Очевидно, что свойства радикалов сильно влияют на поведение пептидной цепочки в растворе.

Посмотрим на схему типичного пептида, в данном случае состоящего всего из пяти аминокислот. Надо заметить, что это очень мало. Длинные пептиды с многими десятками аминокислотных остатков (от 50 и больше) называются полипептидами . Все белки - полипептиды. Аминокислотных остатков в них чаще всего даже не десятки, а сотни. Порядок аминокислот в белке принято принято перечислять от N-конца (аминогруппа) к C-концу (карбоксил).
А теперь представим, что молекулу пептида бросили в воду. Очевидно, что она не останется там вытянутой в линию, а будет как-то сворачиваться. Иными словами, молекула белка в воде обязательно примет некоторую трехмерную форму (конформацию) , которая будет зависеть от взаимодействий между ее частями и особенно между радикалами аминокислот. А ведь эти радикалы, как мы уже знаем, бывают очень разными.

Принято выделять четыре уровня структуры белка:
● Первичная структура - последовательность аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями.
● Вторичная структура - взаимодействия между аминокислотами в составе одной и той же пептидной цепочки, расположенными близко (через считанные остатки друг от друга).
● Третичная структура - взаимодействия между аминокислотами в составе одной и той же пептидной цепочки, расположенными сколь угодно далеко, хоть на разных ее концах.
● Четвертичная структура - взаимодействия между разными пептидными цепочками, собранными в функциональный белок. Если белок состоит из одной полипептидной цепи, то четвертичной структуры у него нет.
Первичная структура одномерна, все остальные - трехмерны. К первичной структуре относятся пептидные связи, к остальным уровням - любые другие взаимодействия между аминокислотными остатками.

Первичная структура - это просто сама последовательность аминокислот, например: глицин, пролин, глицин, треонин, глицин, глутамат... и так далее. Показанный слева пептид из 24 аминокислот - условность, настоящие белки очень редко бывают такими маленькими. Показанный справа белок из 129 аминокислот - гораздо более типичная штука, хотя даже такой белок считается небольшим. В обоих случаях цепи нарисованы изогнутыми исключительно для удобства и наглядности, на самом деле с таким же успехом можно было бы просто перечислить аминокислоты в строчку (как это и делается в соответствующих базах данных).
Объемная структура белковой молекулы (вторичная, третичная и четвертичная) держится на следующих типах взаимодействий между аминокислотными остатками:
● Водородные связи (как между полярными боковыми цепями аминокислот, так и между пептидными группами).
● Электрическое притяжение между положительно и отрицательно заряженными боковыми цепями.
● Гидрофобные взаимодействия между углеводородными боковыми цепями. Напомним, что гидрофобными называются молекулы или части молекул, в которых нет полярных связей и которые поэтому плохо взаимодействуют с водой. А вот слипаться вместе, чтобы уменьшить поверхность собственного взаимодействия с водой, они как раз склонны. Такое слипание может быть довольно прочным - оно и называется гидрофобным взаимодействием или даже гидрофобной связью.
● Дисульфидные мостики между остатками аминокислоты цистеина.
Все эти взаимодействия, кроме дисульфидных мостиков - нековалентные. А вот о самих дисульфидных мостиках мы еще не говорили. Они образуются между остатками аминокислоты цистеина, боковая цепь которой имеет вид -CH 2 -SH. Уже после того, как белок синтезирован, между входящими в него остатками цистеина может произойти вот такая реакция:

У остатков цистеина будет отобран водород (его унесут специальные молекулы-переносчики), а свободные валентности атомов серы замкнутся друг на друга, образовав дисульфидный мостик -S-S-. Белок вполне может быть в нескольких местах "сшит" такими мостиками. Реакция их образования в принципе обратима - дисульфидные мостики могут возникать и рваться, это имеет значение в некоторых физиологических процессах.

Вот очень простая и наглядная схема взаимодействий между аминокислотными остатками, влияющих на пространственную структуру белка. Пептид A и пептид B - это, скорее всего, части одной и той же полипептидной цепочки, сложенной пополам; но это могут быть и две совершенно самостоятельные полипептидные цепочки в случае, если мы имеем дело с четвертичной структурой. Слева мы видим обычную водородную связь, образованную боковыми цепями серина и еще не встречавшейся нам протеиногенной аминокислоты, которая называется аспарагин (не путать с аспартатом). Дальше - гидрофобное взаимодействие между двумя остатками валина, еще дальше дисульфидный мостик, и наконец, справа - боковые цепи лизина и аспартата, между которыми в данном случае возникает самая настоящая ионная связь.
Еще раз отметим, что все перечисленные взаимодействия могут возникать как между разными полипептидными цепочками (это будет называться четвертичной структурой), так и внутри одной полипептидной цепочки (это будет вторичная или третичная структура).

Два самых распространенных типа вторичной структуры белка - α-спираль и β-слой. В целом вторичная структура характеризуется тремя особенностями:
● Держится в основном на водородных связях, входящих в состав пептидных групп (а не боковых цепей).
● Задействует аминокислоты, расположенные относительно близко друг от друга - например, в α-спирали водородные связи постоянно образуются между аминокислотными остатками с номерами n и (n+4), то есть каждый остаток образует водородную связь с остатком, четвертым по счету от него.
● Обладает высокой регулярностью. В α-спирали это сразу бросается в глаза, в β-слое, где водородные связи образуются между противоположно направленными цепочками, молекула белка должна быть несколько раз равномерно сложена.
Альфа-спираль энергетически особенно устойчива, в частности, за счет того, что внутри нее в образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы без исключения.

Третичная структура держится на взаимодействиях между сколь угодно далекими (но принадлежащими к одной и той же цепи) остатками аминокислот и определяет, какую форму будет иметь молекула белка целиком. О том, какие взаимодействия создают третичную структуру, мы уже говорили: это водородные связи между боковыми цепями, гидрофобные взаимодействия и ионные связи (см. картинку).

На этой схеме тоже прекрасно показаны источники третичной структуры: (a) ионная связь, (b) водородная связь, (c) дисульфидный мостик, (d) гидрофобные связи, и в том числе очень интересный их вариант, который называется стэкинг-взаимодействием - слипание наложившихся друг на друга ароматических ядер. Полезно рассмотреть картинку повнимательнее и самостоятельно разобраться, какие аминокислоты здесь участвуют.
Ответ: глутамат, лизин (ионные связи), тирозин, аспартат (водородные связи), изолейцин, аланин (гидрофобные связи), фенилаланин (стэкинг-взаимодействие), цистеин (дисульфидный мостик). Два цистеина, соединенные ковалентной связью через серу, называются цистином. Кроме того, тут отмечено взаимодействие аминокислотных остатков с молекулами воды и углекислоты - и то и другое тоже бывает важно.

Вот полная пространственная структура одного совершенно случайно выбранного белка-глобулина, присутствующего в нашей крови. Это уже довольно реалистичная трехмерная схема. Альфа-спирали (спирали) и бета-слои (противоположно направленные стрелки) - элементы вторичной структуры; то, во что они собраны все вместе - третичная структура. Четвертичной структуры здесь нет.

Пример белка с четвертичной структурой - антитело из нашей иммунной системы. “Тяжелые” и “легкие” полипептидные цепи синтезируются отдельно, после чего сшиваются дисульфидными мостиками. Обозначения разных отрезков самих цепей нас не интересуют, но стоит обратить внимание, что тут по всем правилам указаны N- и C-концы.

Еще один пример белка с четвертичной структурой - гемоглобин. Он состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, которые синтезируются отдельно. Вместе они удерживаются в основном за счет гидрофобных взаимодействий. Особенность гемоглобина - в его состав входит ион железа, образующий комплекс с особой группой, которая называется гемом и вовсе из аминокислот не состоит. Такие дополнительные группы - нечастое явление, но в сложных белках они встречаются.

Потеря белком своей пространственной структуры без разрушения пептидных связей (то есть первичной структуры) называется денатурацией . Самый простой способ денатурировать белок - нагреть его. Альтернативный вариант - например, высокая кислотность. Именно частичная денатурация белков происходит при любой термической обработке пищи, причем иногда этот процесс до некоторой степени обратим (при кипячении молока, например). Восстановление пространственной структуры денатурированного белка называется ренатурацией . Белок крутого яйца после полной денатурации растворенных там молекул белков становится твердым, потому что раскрученные полипептидные цепочки перепутываются между собой.

Очень важный биологический факт состоит в следующем: зная первичную структуру белка (то есть аминокислотную последовательность), теоретически можно точно предсказать его пространственную структуру всех уровней. Это достаточно успешно делается методами биофизики и биоинформатики. Иными словами, зная аминокислотную последовательность, мы тем самым получаем полную информацию о белке: при данной последовательности он, как правило, сворачивается всегда совершенно одинаково. Дальше мы увидим, какое огромное значение это имеет для устройства живых систем.

Биохимическая эволюция началась еще до образования Земли как планеты. В так называемых углистых метеоритах встречаются углеводороды с длинными (до 30 атомов) углеродными цепочками, многоатомные спирты, альдегиды, кетоны, углеводы, карбоновые кислоты, амины. Есть там и аминокислоты, причем очень разнообразные - с разным расположением аминогрупп (α-, β-, γ-, δ- и ε-аминокислоты), с двумя аминогруппами и с другими особенностями (Pizzarello, Shock, 2010). Большинство этих аминокислот не было “выбрано” эволюцией на роль протеиногенных.
Уже на этом уровне происходил процесс, аналогичный естественному отбору. Интересно поразбираться в причинах, по которым одни аминокислоты были выбраны на роль протеиногенных, а другие нет; сейчас мы попробуем кое-что на эту тему сказать. Пока добавим, что метеориты, о которых идет речь, никогда не входили в состав планет, поэтому их химический состав не искажен действием высоких температур и давлений, господствующих в планетных недрах. Это своего рода химический "заповедник" очень древней эпохи Солнечной системы.

Эта аминокислота (по химическим правилам ее можно назвать 2,2-диамино-3-метилпентановой кислотой) была бы изолейцином, если бы не дополнительная аминогруппа в α-положении. Она может служить представителем огромного добиологического разнообразия аминокислот. Из “метеоритных” аминокислот в состав белков вошли только восемь: глицин, аланин, пролин, валин, лейцин, изолейцин, аспартат и глутамат.

Изовалин - аминокислота, которая не соответствует общей формуле протеиногенных аминокислот (хотя не так уж и сильно отличается от них), не синтезируется и не разлагается никакими земными живыми организмами, но встречается в метеоритах. Это еще одна из многих аминокислот, не прошедших отбора на протеиногенность.
Почему же одни аминокислоты вошли в состав белков, а другие нет? Скорее всего, дело в том, что аминокислота с двумя радикалами или с двумя аминогруппами при одном и том же углероде уменьшает разнообразие возможных конформаций пептидов, которые из таких мономеров будут сложены. У диаминометилпентановой кислоты при α-атоме находятся две аминогруппы, у изовалина - два углеводородных радикала; и то и другое должно ограничивать число возможных конформаций полипептидной цепочки, делая ее менее гибкой. У всех без исключения протеиногенных аминокислот одна из валентностей α-атома занята простым водородом. И это, конечно, не случайность. Уже известная нам общая формула протеиногенной аминокислоты - не изолированный факт, который можно только зазубрить, а вполне объяснимый продукт эволюции.
Любой отдельный белок (если это именно белок, а не просто случайный полипептид) сам по себе тоже является продуктом эволюции, и его структура приспособлена для выполнения какой-то строго определенной функции. Известный биофизик Лев Александрович Блюменфельд писал: "Если бы для описания клетки нам пришлось выбирать между двумя крайними моделями - часовым механизмом и гомогенной химической реакцией в газовой фазе, - выбор был бы однозначен: клетка несравненно ближе к часовому механизму, чем к чисто статистической системе" (). Этот принцип действует не только на уровне целой клетки - он относится и к отдельным молекулам биополимеров, то есть в первую очередь белков. Блюменфельд как раз и начинает вышеприведенными словами главу своей книги, посвященную биофизике молекул белка.
Разнообразие функций белков огромно. Очень краткий и неполный их список может выглядеть примерно так:
● Структурная (например, белки соединительной ткани или кератин, из которого состоят волосы и ногти).
● Каталитическая (ферменты).
● Сигнальная (гормоны, рецепторы).
● Транспортная (например, гемоглобин переносит кислород).
● Моторная (белки мышц, ресничек, жгутиков).
● Защитная (антитела, яды).
Из всех этих функций мы сейчас специально обсудим только одну - каталитическую.

Начнем с простых определений. Вещество, ускоряющее химическую реакцию, но само не претерпевающее в ней стойких изменений, называется катализатором . Катализатор, являющийся белком, называется ферментом . Практически все биохимические реакции идут с помощью специальных ферментов. Вещество, являющееся исходным для той реакции, которую катализирует данный фермент, называется его субстратом . Часть молекулы фермента, непосредственно взаимодействующая с молекулой субстрата, называется активным центром . Обычно активный центр занимает только небольшую часть молекулы фермента.
На приведенной картинке показан фермент, катализирующий распад молекулы субстрата на две части. Так бывает, но надо иметь в виду, что это частный случай. С таким же успехом фермент может и "сшивать" две молекулы в одну, и просто превращать одну молекулу в другую, и вообще делать что угодно. Номенклатура ферментов довольно сложна, но в большинстве случаев название фермента складывается из названия субстрата и характерного окончания "-аза".

Активный центр взаимодействует с субстратом по так называемому принципу ключа и замка. Надо учитывать, что “замок” (активный центр) при связывании с “ключом” (субстратом) сам обратимо меняет конформацию. Во время такой реакции молекула фермента фактически действует как довольно сложная механическая машина, имеющая множество шарниров, сочленений, поворачивающихся частей и тому подобного (Хургин и др., 1967).

Каждый фермент специализирован для строго определенной химической реакции. Например, фермент сукцинатдегидрогеназа связывает сукцинат (соль янтарной кислоты) и превращает его в фумарат (соль фумаровой кислоты). Это нормальный ход реакции (a). Если на месте сукцината окажется малонат - соль малоновой кислоты, отличающейся от янтарной на один углерод - он тоже свяжется с активным центром, но никакой реакции не пойдет. Сукцинат будет как бы конкурентно вытеснен малонатом, который "застрянет" в активном центре фермента и заблокирует его (b). Это называется конкурентным ингибированием . Именно на конкурентном ингибировании основано действие многих лекарств и ядов.
Вот схема активного центра фермента ацетилхолинэстеразы, расщепляющего некую молекулу под названием ацетилхолин:

Что мы видим тут на картинке? В ацетилхолине есть:
● метильные группы (-CH 3), для связывания которых активный центр образует гидрофобные “карманы” (hydrophobic pockets);
● атомы кислорода, для связывания которых активный центр имеет остаток аспарагина (Asn) - незаряженной, но полярной аминокислоты, легко образующий водородные связи;
● положительный заряд, для ионного связывания которого предназначен остаток аспартата (Asp);
● наконец, довольно протяженная углеводородная часть, для создания гидрофобных связей с которой служит ароматическое ядро остатка тирозина (Tyr).

И все это находится точно на своих местах. Стоящие на картинке числа - номера аминокислотных остатков в первичной структуре. Из них, в свою очередь, видны две вещи. Во-первых, всего в ацетилхолинэстеразе больше 600 аминокислот. Такой белок уже действительно считается большим, а активный центр занимает лишь его маленькую часть. Во-вторых, аминокислоты, оказывающиеся рядом в активном центре, могут в первичной последовательности находиться очень далеко - например, за 300 остатков друг от друга. Их "правильное" взаимное расположение достигается за счет очень точного сворачивания полипептидной цепи, то есть за счет третичной структуры. Можно представить, насколько сложной биохимической машиной является такой фермент. А в каждой живой клетке ферментов несколько тысяч.

“Белковая Вселенная” - воображаемое пространство, в каждой точке которого находится один белок. Число измерений равно числу аминокислотных остатков в этом белке, а вдоль каждой из осей переменная может принимать 20 значений, по числу стандартных протеиногенных аминокислот. Имеет смысл подчеркнуть, что “белковая Вселенная” - это не поэтическая метафора, а на сегодняшний день уже повседневный инструмент работы биоинформатиков, почти как пространство декартовых координат в математическом анализе. Простейшая “Вселенная”, описывающая дипептид, имеет всего два измерения и состоит из 400 возможных точек (20 2).

С ростом длины белка объем “белковой Вселенной” быстро растет. Для белка из 300 аминокислот (а это типичный размер) “Вселенная” является 300-мерной и включает 20 300 возможных состояний - это гораздо больше, чем общее число протонов и нейтронов в наблюдаемой части физической Вселенной (10 80). Очевидно, что до сих пор эволюция исчерпала лишь ничтожную часть этого объема.

Показано, что “белковая Вселенная” расширяется, подобно физической Вселенной: с ходом эволюции белки все сильнее отличаются друг от друга (Povolotskaya, Kondrashov, 2010). На иллюстрации слева - расширяющаяся физическая Вселенная (указаны небесные объекты), справа - расширяющаяся белковая Вселенная (указаны одноклеточные организмы, первичную структуру белков которых авторы сравнивали). "Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем расстояние между галактиками положительно коррелирует со скоростью их разлетания. Экстраполируя эту тенденцию в прошлое, Хаббл пришел к выводу, что разлетание должно было начаться из одной точки. Эта идея легла в основу современной теории Большого взрыва. Нечто подобное происходит и с белками, расходящимися от общего предка" (Марков, 2010).

Это изображение окружающей нас части физической Вселенной в очень мелком масштабе - нанесенная на карту линейка соответствует миллиарду световых лет. Суперкластер Девы (Virgo Supercluster) включает 30 тысяч галактик, лишь одной из которых является Млечный Путь. Но в этом масштабе весь суперкластер Девы выглядит ничтожно маленькой областью. Вот примерно так же устроено пространство белковых последовательностей, в котором идет эволюция. А ведь могут быть еще и другие, небелковые биологические Вселенные.

Первичная структура белков формируется в результате соединения L-a-аминокислот пептидными связями. Об этом свидетельствует множество различных данных, однако наиболее убедительным доказательством стал химический синтез инсулина и рибонуклеазы, осуществленный путем последовательного соединения аминокислот пептидными связями.

Структура большинства белков стабилизируется двумя классами прочных связей (пептидных и дисульфидных) и тремя классами слабых связей (водородных, гидрофобных и электростатических, т. е. солевых).

Жесткость пептидной связи

В структурных формулах пептидов связь между карбонильной группой и атомом a-азота изображается как одинарная, однако на самом деле эта связь между атомами углерода и азота носит характер частично двойной связи (рис. 5.1). Свободное вращение вокруг нее невозможно, и все четыре атома на рис.

Рис. 5.1. Резонансная стабилизация пептидной связи придает ей характер частично двойной связи; этим объясняется жесткость связи .

5.1 лежат в одной плоскости (компланарны). Вращение же вокруг остальных связей полипептидного остова, наоборот, достаточно свободно. Это положение иллюстрирует рис. 5.2, где связи, вокруг которых возможно свободное вращение, охвачены круглыми стрелками, а группы компланарных атомов затенены. Эта полужесткость ведет к важным последствиям, сказывающимся на более высоких уровнях структурной организации белка.

Межцепочечные и внутрицепочечные поперечные дисульфидные связи

Дисульфидная связь образуется между двумя остатками цистеина и «сшивает» два участка полипептидной цепи (или цепей), которым принадлежат эти остатки.

Рис. 5.2. Параметры полностью вытянутой полипептидной цепи. Четыре атома, расположенные в затененных областях, компланарны и образуют пептидную связь. В незатененных областях находятся атом а-углерода, атом а-водорода и - R-группа соответствующей аминокислоты. Вокруг связей, соединяющих а-углерод с а-азотом и а-карбонилом, возможно свободное вращение (показано стрелками). Таким образом, вытянутая полипептидная цепь - это полужесткая структура, в которой две трети атомов остова (если рассматривать атомы по группам, образующим пептидную связь) занимают друг относительно друга фиксированное положение и находятся в одной плоскости. Расстояние между соседними атомами а-углерода 0,36 нм. Показаны также другие межатомные расстояния и валентные углы (они неэквивалентны). (С разрешения, из работы Pauling L., Corey R. В, Branson Н. R.: The structure of proteins. Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proc. Natl. Acad. Sci. USA .1951:37:205.)

Эта связь остается стабильной в тех условиях, при которых белок обычно денатурирует. Обработка белка надмуравьиной кислотой (окисляющей связи ) или -меркаптоэтанолом (восстанавливающим связи с регенерацией двух остатков цистеина) приводит к разделению полипептидных цепей, связанных дисульфидными связями; их первичная структура при этом не затрагивается (см. рис. 4.10).

Стабилизация полипептидов межцепочечными и внутрицепочечными водородными связями

Водородные связи образуются 1) между группами, входящими в состав боковых цепей и способными к формированию водородных связей; 2) между атомами азота и кислорода, принадлежащими пептидным группам остова; 3) между полярными остатками, расположенными на поверхности молекулы белка, и молекулами воды. Все они играют важную роль в стабилизации вторичной, третичной и т.д. структур белка (см. разд. «а-Спираль» и «Складчатый Р-слой»).

Гидрофобные взаимодействия

Неполярные боковые цепи нейтральных аминокислот в белках имеют тенденцию к ассоциации. Стехиометрические соотношения при этом не соблюдаются, так что никаких связей в обычном смысле не возникает. Тем не менее эти взаимодействия играют важную роль в поддержании структуры белка.

Строение аминокислот

Аминокислоты - гетерофункциональные соеди­нения, которые обязательно содержат две функцио­нальные группы : аминогруппу -NH 2 и карбоксиль­ную группу -СООН, связанные с углеводородным радикалом.

Общую формулу простей­ших аминокислот можно за­писать так:

Так как аминокислоты со­держат две различные функ­циональные группы, которые оказывают влияние друг на друга, характерные реакции отличают­ся от характерных реакций карбоновых кислот и аминов.

Свойства аминокислот

Аминогруппа -NH 2 определяет основные свой­ства аминокислот , т. к. способна присоединять к себе катион водорода по донорно-акцепторному механизму за счет наличия свободной электронной пары у атома азота.

Группа -СООН (карбоксильная группа) опреде­ляет кислотные свойства этих соединений . Следо вательно, аминокислоты - это амфотерные орга­нические соединения .

Со щелочами они реагируют как кислоты:

С сильными кислотами как основания-амины:

Кроме того, аминогруппа в аминокислоте всту­пает во взаимодействие с входящей в ее состав кар­боксильной группой, образуя внутреннюю соль:

Ионизация молекул аминокислот зависит от кислотного или щелочного характера среды:

Так как аминокислоты в водных растворах ве­дут себя как типичные амфотерные соединения, то в живых организмах они играют роль буферных веществ, поддерживающих определенную концен­трацию ионов водорода.

Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разло­жением при температуре выше 200 °С. Они рас­творимы в воде и нерастворимы в эфире. В зависи­мости от радикала R- они могут быть сладкими, горькими или безвкусными.

Аминокислоты подразделяют на природные (обнаруженные в живых организмах) и синтети­ческие . Среди природных аминокислот (около 150) выделяют протеиногенные аминокислоты (около 20), которые входят в состав белков. Они представляют собой L-формы. Примерно полови­на из этих аминокислот относятся к незамени­мым , т. к. они не синтезируются в организме че­ловека. Незаменимыми являются такие кислоты, как валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, ли­зин, треонин, цистеин, мети­онин, гистидин, триптофан. В организм человека данные вещества поступают с пи­щей. Если их количество в пище будет недостаточ­ным, нормальное развитие и функционирование орга­низма человека нарушаются. При отдельных заболеваниях организм не в состоянии син­тезировать и некоторые другие аминокислоты. Так, при фенилкетонурии не синтезируется тирозин.

Важнейшим свойством аминокислот является способность вступать в молекулярную конденса­цию с выделением воды и образованием амидной группировки -NH-CO- , например:

Получаемые в результате такой реакции высо­комолекулярные соединения содержат большое число амидных фрагментов и поэтому получили название полиамидов .

К ним, кроме названного выше синтетического волок­на капрона, относят, напри­мер, и энант, образующийся при поликонденсации аминоэнантовой кислоты. Для получения синтетических во­локон пригодны аминокис­лоты с расположением амино- и карбоксильной групп на концах молекул.

Полиамиды α-аминокислот называются пепти­дами . В зависимости от числа остатков аминокислот различают дипептиды, трипептиды, полипепти­ды. В таких соединениях группы -NH-CO- на­зывают пептидными .

Изомерия и номенклатура аминокислот

Изомерия аминокислот определяется различ­ным строением углеродной цепи и положением аминогруппы, например:

Широко распространены также названия ами­нокислот, в которых положение аминогруппы обо­значается буквами греческого алфавита : α, β, γ и т. д. Так, 2-аминобутановую кислоту можно на звать также α-аминокислотой:

В биосинтезе белка в живых организмах уча­ствуют 20 аминокислот.

Белки

Белки - это высокомолекулярные (молеку­лярная масса варьируется от 5-10 тыс. до 1 млн и более) природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью.

Белки также называют протеинами (греч. «протос» - первый, важный). Число остатков амино­кислот в молекуле белка очень сильно колеблется и иногда достигает несколь­ких тысяч. Каждый белок об­ладает своей присущей ему последовательностью распо­ложения аминокислотных остатков.

Белки выполняют разнообразные биологичес­кие функции : каталитические (ферменты), регуля­торные (гормоны), структурные (коллаген, фибро­ин), двигательные (миозин), транспортные (гемо­глобин, миоглобин), защитные (иммуноглобули­ны, интерферон), запасные (казеин, альбумин, глиадин) и другие.

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.

Белки - основа биомембран, важнейшей состав­ной части клетки и клеточных компонентов. Они играют ключевую роль в жиз­ни клетки, составляя как бы материальную основу ее химической деятельности.

Исключительное свойство белка - самоорганизация структуры , т. е. его способность самопроизвольно создавать определенную, свойственную только данному белку пространственную структуру. По существу, вся деятельность организма (развитие, движение, выполнение им различных функций и многое дру­гое) связана с белковыми веществами. Без белков невозможно представить себе жизнь.

Белки - важнейшая составная часть пищи че­ловека и животных, поставщик необходимых ами­нокислот .

Строение белков

В пространственном строении белков большое значение имеет характер радикалов (остатков) R- в молекулах аминокислот. Неполярные радикалы аминокислот обычно располагаются внутри макро­молекулы белка и обусловливают гидрофобные взаимодействия ; полярные радикалы , содержащие ионогенные (образующие ионы) группы, обычно находятся на поверхности макромолекулы белка и характеризуют электростатические (ионные) вза­имодействия . Полярные неионогенные радикалы (например, содержащие спиртовые ОН-группы, амидные группы) могут располагаться как на по­верхности, так и внутри белковой молекулы. Они участвуют в образовании водородных связей .

В молекулах белка а-аминокислоты связаны между собой пептидными (-СО-NH-) связями:

Построенные таким образом полипептидные це­пи или отдельные участки внутри полипептидной цепи могут быть в некото­рых случаях дополнительно связаны между собой дисуль­фидными (-S-S-) связями или, как их часто называют, дисульфидными мостиками .

Большую роль в создании структуры белков играют ион­ные (солевые) и водородные связи , а также гидрофобное взаимодействие - особый вид контактов между гидрофоб­ными компонентами молекул белков в водной среде. Все эти связи имеют различную прочность и обеспечивают образование сложной, большой молекулы белка.

Несмотря на различие в строении и функциях белковых веществ, их элементный состав колеб­лется незначительно (в % на сухую массу): угле­рода - 51-53; кислорода - 21,5-23,5; азота - 16,8-18,4; водорода - 6,5-7,3; серы - 0,3-2,5.

Некоторые белки содержат в небольших количе­ствах фосфор, селен и другие элементы. Последовательность соединения аминокислот­ных остатков в полипептидной цепи получила на­звание первичной структуры белка. Белковая молекула может состоять из одной или из нескольких полипептидных цепей, каждая из которых содержит различное число аминокис­лотных остатков. Учитывая число их возможных комби­наций, можно сказать, что разнообразие белков почти безгранично, но не все из них существуют в природе. Общее число различных ти­пов белков у всех видов жи­вых организмов составляет 10 11 -10 12 . Для белков, строение которых отлича­ется исключительной сложностью, кроме первич­ной, различают и более высокие уровни структур­ной организации: вторичную, третичную, а иногда и четвертичную структуры.

Вторичной структурой обладает большая часть белков, правда, не всегда на всем протяжении полипептидной цепи. Полипептидные цепочки с определенной вторичной структурой могут быть по-разному расположены в пространстве.

В формировании третичной структуры , кроме водородных связей, большую роль играют ион­ное и гидрофобное взаимодействия. По характеру «упаковки» белковой молекулы различают глобу­лярные, или шаровидные, и фибриллярные, или нитевидные, белки.

Для глобулярных белков более характерна α-спиральная структура, спирали изогнуты, «свер­нуты». Макромолекула имеет сферическую форму. Они растворяются в воде и солевых растворах с об­разованием коллоидных систем. Большинство бел­ков животных, растений и микроорганизмов отно­сится к глобулярным белкам.

- последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами - пептидная.

Если молекула белка состоит всего из 10 аминокислотных остатков, то число теоретически возможных вариантов белковых молекул, отличающихся порядком чередования аминокислот, - 1020. Имея 20 аминокислот, можно составить из них еще большее количество разнообразных комбинаций. В организме человека обнаружено порядка десяти тысяч различных белков, которые отличаются как друг от друга, так и от белков других организмов.

Именно первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка. Например, замена в β-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию - транспорт кислорода; в таких случаях у человека развивается заболевание - серповидноклеточная анемия.

Вторичная структура - упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (имеет вид растянутой пружины). Витки спирали укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами и аминогруппами. Практически все СО- и NН-группы принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Третичная структура - укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия.

В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы. У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле благодаря ионным, гидрофобным и электростатическим взаимодействиям. Иногда при образовании четвертичной структуры между субъединицами возникают дисульфидные связи. Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя α-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя β-субъединицами (146 аминокислотных остатков). С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции. Например, причиной «коровьего бешенства» (губкообразной энцефалопатии) является аномальная конформация прионов - поверхностных белков нервных клеток.

Для фибриллярных белков более характерна нитевидная структура. Они, как правило, не рас­творяются в воде. Фибриллярные белки обычно выполняют структурообразующие функции. Их свойства (прочность, способность растягиваться) за­висят от способа упаковки полипептидных цепо­чек. Примером фибриллярных белков служат мио­зин, кератин. В ряде случаев отдельные субъ­единицы белка с помощью во­дородных связей, электроста­тического и других взаимо­действий образуют сложные ансамбли. В этом случае об­разуется четвертичная струк­тура белков .

Примером белка с четвер­тичной структурой служит гемоглобин крови. Только с такой структурой он выполняет свои функции - связывание кислорода и транспортировка его в ткани и органы. Однако следует отметить, что в организации бо­лее высоких структур белка исключительная роль принадлежит первичной структуре.

Классификация белков

Существует несколько классификаций белков:

По степени сложности (простые и сложные).

По форме молекул (глобулярные и фибрилляр­ные белки).

По растворимости в отдельных растворителях (водорастворимые, растворимые в разбавлен­ных солевых растворах - альбумины, спирто­растворимые - проламины, растворимые в раз­бавленных щелочах и кислотах - глутелины).

По выполняемым функциям (например, запас­ные белки, скелетные и т. п.).

Свойства белков

Белки - амфотерные электролиты . При опреде­ленном значении pH среды (оно называется изо­электрической точкой) число положительных и от­рицательных зарядов в молекуле белка одинаково. Это одно из основных свойств белка. Белки в этой точке электронейтральны, а их растворимость в во­де наименьшая. Способность белков снижать рас­творимость при достижении электронейтральности их молекул используется для выделения из раство­ров, например, в технологии получения белковых продуктов.

Гидратация . Процесс гидратации означает свя­зывание белками воды, при этом они проявля­ют гидрофильные свойства: набухают, их масса и объ­ем увеличиваются. Набуха­ние отдельных белков за­висит исключительно от их строения. Имеющиеся в со­ставе и расположенные на поверхности белковой ма­кромолекулы гидрофильные амидные (-СО-NH-, пеп­тидная связь), аминные (-NH 2) и карбоксильные (-СООН) группы притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их на поверхности моле­кулы. Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации и осаж­дению, а следовательно, способствует устойчиво­сти растворов белка. В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью свя­зывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых молекул, поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Агрега­ция белковых молекул происходит и при их обе­звоживании с помощью некоторых органических растворителей, например, этилового спирта. Это приводит к выпадению белков в осадок. При из­менении рН среды макромолекула белка стано­вится заряженной, и его гидратационная способ­ность меняется.

При ограниченном набухании концентрирован­ные белковые растворы образуют сложные систе­мы, называемые студнями . Студни не текучи, упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохра­нять свою форму. Глобуляр­ные белки могут полностью гидратироваться, растворяться в воде (например, белки молока), образуя растворы с невысокой кон­центрацией. Гидрофильные свойства белков, т. е. их способность набухать, образовывать студни, стабилизировать суспензии, эмульсии и пены, имеют большое значение в биологии и пищевой промышленности. Очень подвижным студнем, по­строенным в основном из молекул белка, является цитоплазма - сырая клейковина, выделенная из пшеничного теста; она содержит до 65 % воды.

Различная гидрофильность клейковинных бел­ков - один из признаков, характеризующих ка­чество зерна пшеницы и получаемой из него муки (так называемые сильные и слабые пшеницы). Ги­дрофильность белков зерна и муки играет боль­шую роль при хранении и переработке зерна, в хлебопечении. Тесто, которое получают в хлебо­пекарном производстве, представляет собой набух­ший в воде белок, концентрированный студень, содержащий зерна крахмала.

Денатурация белков . При денатурации под вли­янием внешних факторов (температуры, механиче­ского воздействия, действия химических агентов и ряда других факторов) происходит изменение вторичной, третич­ной и четвертичной структур белковой макромолекулы, т. е. ее нативной простран­ственной структуры. Первич­ная структура, а следователь­но, и химический состав белка не меняются. Изменяются физические свой­ства: снижается растворимость, способность к ги­дратации, теряется биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, проис­ходит агрегирование. В то же время увеличивает­ся активность некоторых химических групп, об­легчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а следовательно, он легче гидролизу­ется.

В пищевой технологии особое практическое значение имеет тепловая денатурация белков , степень которой зависит от температуры, продол­жительности нагрева и влажности. Это необходи­мо помнить при разработке режимов термообра­ботки пищевого сырья, полуфабрикатов, а иногда и готовых продуктов. Особую роль процессы те­пловой денатурации играют при бланшировании растительного сырья, сушке зерна, выпечке хле­ба, получении макаронных изделий. Денатура­ция белков может вызываться и механическим воздействием (давлением, растиранием, встряхи­ванием, ультразвуком). Наконец, к денатурации белков приводит действие химических реагентов (кислот, щелочей, спирта, ацетона). Все эти при­емы широко используются в пищевой и биотех­нологии.

Пенообразование . Под процессом пенообразова­ния понимают способность белков образовывать высококонцентрированные системы «жидкость - газ», называемые пенами. Устой­чивость пены, в которой бе­лок является пенообразовате­лем, зависит не только от его природы и от концентрации, но и от температуры. Белки в качестве пенообразо­вателей широко используются в кондитерской про­мышленности (пастила, зефир, суфле). Структуру пены имеет хлеб, а это влияет на его вкусовые ка­чества.

Молекулы белков под влиянием ряда факторов могут разрушаться или вступать во взаимодействие с другими веществами с образованием новых про­дуктов. Для пищевой промышленности можно вы­делить два важных процесса:

1) гидролиз белков под действием ферментов;

2) взаимодействие аминогрупп белков или амино­кислот с карбонильными группами восстанавли­вающих сахаров.

Под влиянием ферментов протеаз, катализиру­ющих гидролитическое расщепление белков, по­следние распадаются на более простые продукты (поли- и дипептиды) и в конечном итоге на ами­нокислоты. Скорость гидролиза белка зависит от его состава, молекулярной структуры, активности фермента и условий.

Гидролиз белков . Реакцию гидролиза с образо­ванием аминокислот в общем виде можно записать так:

Горение. Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а также некоторых дру­гих веществ. Горение сопровождается характер­ным запахом жженых перьев.

Цветные реакции . Для качественного определе­ния белка используют следующие реакции:

1. Денатурация – процесс нарушения естественной структуры белка (разрушение вторичной, третичной, четвертичной структуры).

2. Гидролиз — разрушение первичной структуры в кислом или щелочном растворе с образованием аминокислот.

3. Качественные реакции белков:

· биуретовая;

Биуретовая реакция – фиолетовое окрашивание при действии солей меди (II) в щелочном растворе. Такую реакцию дают все соединения, содержащие пептидную связь, при которой происходит взаимо­действие слабощелочных растворов белков с раствором сульфата меди (II) с образованием комплексных соединений между ионами Cu 2+ и полипептидами. Реакция сопровождается по­явлением фиолетово-синей окраски.

· ксантопротеиновая;

Ксантопротеиновая реакция – появление желтого окрашивания при действии концентрированной азотной кислоты на белки, содержащие остатки ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина), при которой происходит взаимодействие ароматических и гетероатом­ных циклов в молекуле белка с концентриро­ванной азотной кислотой, сопровождающееся появлением желтой окраски.

· реакция определения серы в белках.

Цистеиновая реакция (для белков, содержащих серу) — кипячение раствора белка с ацетатом свинца(II) с появлением черного окрашивания.

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева

Таблица растворимости